Altre molecole coinvolte nella trasduzione del segnale del freddo
Alcuni ormoni delle piante, inclusi ABA, poliammine, acido gibberellico (GA), ossido nitrico (NO), brassinosteroidi (BR) ed etilene (ET), agiscono anche come intermediari nella segnalazione del freddo (Figura 19.1).
Figura 19.1. Rappresentazione schematica che mostra il ruolo degli ormoni vegetali nella risposta alle basse temperature. Brassinosteroidi (BR), ossido nitrico (NO), etilene (ET), ABA e poliammine agiscono come regolatori positivi. Le gibberelline (GA) agiscono come regolatori negativi. L’acido salicilico (SA) può agire come regolatore positivo (cereali, banana) o negativo (Arabidopsis). Le frecce e le linee finali indicano rispettivamente la regolazione positiva e negativa.
I livelli di ABA aumentano nelle piante esposte a basse temperature e il trattamento esogeno con ABA migliora la tolleranza al congelamento (Chen e Gusta, 1983; Lang et al., 1989). In Cicer arietinum e nel grano, è stato osservato che l’aumento della tolleranza al congelamento indotto dai trattamenti con ABA esogeno è mediato da cambiamenti nella composizione della membrana plasmatica (cioè, aumento degli steroli, degli acidi grassi insaturi, ecc; Bakht et al., 2006). Inoltre, i mutanti carenti e insensibili all’ABA hanno una ridotta capacità di acclimatarsi al freddo, indicando che l’ABA è essenziale per una completa acclimatazione al freddo (Heino et al., 1990; Gilmour e Thomashow, 1991; Llorente et al., 2000). Inoltre, l’ABA è implicato nella tolleranza costitutiva dell’Arabidopsis al congelamento (Llorente et al., 2000). Alcuni componenti della via di segnalazione ABA sono stati anche coinvolti nella regolazione della risposta al freddo. ABI3, un attivatore trascrizionale che regola l’espressione genica indotta dall’ABA e diversi processi vegetativi mediati dall’ABA nell’Arabidopsis, migliora l’espressione dei geni inducibili al freddo e la tolleranza al congelamento (Tamminen et al., 2001). Un mutante di grano ipersensibile all’ABA, aba27, mostra una maggiore tolleranza costitutiva al congelamento e una maggiore espressione di geni ABA-responsivi sia in condizioni di controllo che di bassa temperatura (Kobayashi et al., 2008a). Tutti questi risultati manifestano un ruolo complesso della via di segnalazione ABA nella risposta alle basse temperature. Lavori recenti hanno riportato l’identificazione di recettori ABA (Ma et al., 2009; Park et al., 2009a), anche se la loro implicazione nella risposta al freddo rimane ancora da determinare.
Le poliammine si accumulano nelle piante in condizioni di bassa temperatura (Lee et al., 1995; Shen et al., 2000; Kim et al., 2002b; Pillai et al., 2004; Cuevas et al., 2008; Kovacs et al., 2010). Sono composti che, a causa delle loro proprietà biochimiche, sono in grado di interagire con macromolecole come DNA, RNA, proteine o fosfolipidi, regolando la loro struttura e funzione (Galston e Sawhney, 1990). Kim e colleghi (2002b) hanno riportato che l’esposizione al freddo aumenta l’accumulo di putrescina nelle foglie di pomodoro. Questo aumento sembra avere un ruolo protettivo ed è controllato negativamente dall’ABA (Kim et al., 2002b). Hummel e colleghi (2004) hanno descritto che la tolleranza al freddo di Pringlea antiscorbutica è associata all’accumulo e al mantenimento di poliammine. Inoltre, la sovraespressione di CaPF1, un gene che codifica una proteina legata alla tolleranza al congelamento del pepe, nel pino migliora la tolleranza al congelamento a causa di un elevato accumulo di poliammina (Tang et al., 2007). Recentemente, Cuevas e collaboratori (2008) hanno ottenuto prove genetiche sull’implicazione delle poliammine nella regolazione dell’acclimatazione al freddo modulando la biosintesi dell’ABA e l’espressione genica. Hanno caratterizzato la tolleranza al congelamento di due mutanti difettosi nella biosintesi delle poliammine, adc1 e adc2, e hanno scoperto che entrambi hanno una ridotta capacità di acclimatarsi al freddo rispetto al wild-type. Bassi livelli di poliammine nei mutanti adc1 e adc2 sono correlati a bassi livelli di accumulo di ABA indotto dal freddo, a causa di una ridotta induzione di geni ABA-biosintetici in risposta alla bassa temperatura, indicando che le poliammine regolano positivamente l’accumulo di ABA a bassa temperatura (Cuevas et al, 2008).
La sovraespressione nel tabacco di GhDREB1, un gene del cotone che codifica un fattore di trascrizione, aumenta la tolleranza alle basse temperature, anche se la crescita e il tempo di fioritura sono stati ritardati (Shan et al., 2007). L’espressione di GhDREB1 nel cotone è indotta dalla bassa temperatura ma inibita da GA, rivelando una possibile implicazione di questo gene nella regolazione della crescita tramite GA (Shan et al., 2007). Recentemente, sono state pubblicate prove genetiche che dimostrano una riduzione della funzione GA quando le piante sono esposte a basse temperature (Achard et al., 2008). È stato proposto che la riduzione della crescita delle piante sia dovuta principalmente ad un accumulo di DELLAs, una famiglia di proteine che agisce come regolatore negativo dei processi vegetali GA-responsivi (Achard et al., 2008). Inoltre, l’accumulo di DELLA sembra anche contribuire alla maggiore tolleranza al congelamento che è mediata dall’espressione di CBF1, anche se attraverso un percorso che è indipendente dal regolatore CBF (Achard et al., 2008).
Sono stati descritti anche risultati che rivelano un ruolo importante per NO nella risposta delle piante alla bassa temperatura. Nel pisello, è stato riportato che la bassa temperatura aumenta l’attività di NO sintasi (NOS) e S-nitrosoglutatione reduttasi (GSNOR), due enzimi coinvolti nella biosintesi di NO (Corpas et al., 2008). In Arabidopsis, i livelli di NO aumentano in condizioni di freddo come conseguenza dell’induzione dell’attività della nitrato reduttasi (NR) (Zhao et al., 2009). Inoltre, i mutanti doppi per NR1 e NR2 (nia1nia2), che non sono in grado di accumulare NO dopo l’esposizione al freddo, mostrano una ridotta capacità di acclimatazione al freddo rispetto alle piante wild-type (Zhao et al., 2009). L’analisi molecolare dei mutanti nia1nia2 ha rivelato che l’induzione a freddo di P5CS1 e la repressione di ProDH, e quindi l’accumulo di prolina, è molto più bassa in queste piante che in quelle wild-type, il che spiegherebbe la loro ridotta capacità di acclimatazione al freddo (Zhao et al., 2009).
I bassinosteroidi sono una classe di steroidi implicati nel controllo di una vasta gamma di risposte vegetali (Sasse, 2003). I risultati ottenuti in lavori recenti supportano un possibile ruolo di BR nella segnalazione del freddo. Le piantine di Arabidopsis e Brassica napus trattate con BR esogena mostrano una maggiore tolleranza alle basse temperature che dipende dai cambiamenti nell’espressione genica indotta dal freddo (Kagale et al., 2007). Xia e colleghi (2009) hanno scoperto che le BR regolano positivamente anche la tolleranza alle basse temperature nel cetriolo, controllando l’attività della NADPH ossidasi e l’accumulo di H2O2.
L’esposizione alle basse temperature induce la produzione di ET in specie come il fagiolo (Field, 1981), il pomodoro (Ciardi et al., 1997), o la segale invernale (Yu et al., 2001). Inoltre, l’applicazione di ET esogena alle piante di rododendro aumenta la loro tolleranza al congelamento (Harber e Fuchigami, 1989), e le piante di segale invernale esposte al freddo mostrano livelli più alti di ET che controllano l’accumulo di proteine antigelo nelle foglie e aumentano la tolleranza al congelamento delle piante (Yu et al., 2001). La sovraespressione costitutiva nel tabacco del gene JERF3 del pomodoro, che codifica un fattore di trascrizione legato alla segnalazione di ET, aumenta la tolleranza al congelamento inducendo l’espressione di geni che codificano gli enzimi antiossidanti con la conseguente riduzione dei ROS (Wu et al., 2008). Inoltre, l’espressione antisenso nel pomodoro e nel tabacco di TERF2/LeERF2, un gene del pomodoro che codifica un fattore di trascrizione ET-inducibile, inibisce la produzione di ET e riduce la tolleranza al congelamento. Al contrario, la sovraespressione di TERF2/LeERF2 nel tabacco e nel pomodoro aumenta la tolleranza al congelamento attivando l’espressione genica indotta dal freddo (Zhang e Huang, 2010). Come descritto in precedenza, l’implicazione di ET nella segnalazione del freddo sembra essere chiara e molto poco è ancora noto sui meccanismi che mediano la sua funzione.
Un lavoro sostanziale ha riportato potenziali effetti preziosi del trattamento con acido salicilico (SA) sulla tolleranza al freddo e/o al congelamento nei cereali (Janda et al, 1999; Kang e Saltveit, 2002; Szalai et al., 2000; Tasgin et al., 2003; Saltveit e Hepler, 2004), fagiolo (Ding et al., 2002), cetriolo (Kang e Saltveit, 2002), pomodoro (Ding et al., 2002), banana (Kang et al., 2007), e lillà persiano (Bernard et al., 2002). Il ruolo della SA nella tolleranza delle piante alle basse temperature sembra essere legato a diverse risposte protettive, come l’aumento dell’attività degli enzimi antiossidanti (Janda et al., 1999; Kang e Saltveit, 2002) e l’aumento dell’attività di nucleazione del ghiaccio nell’apoplasto (Tasgin et al., 2003). In contrapposizione a questi dati, risultati recenti indicano che la SA è un regolatore negativo dell’acclimatazione al freddo in Arabidopsis (Miura e Ohta, 2010). Due mutanti che accumulano SA, siz1 e acd6, hanno una ridotta capacità di acclimatazione al freddo e sono più sensibili allo stress da freddo, principalmente a causa di una minore espressione di CBF3 e del corrispondente regulon (Miura e Ohta, 2010). Il ripristino dell’accumulo di SA ai livelli wild-type sopprime la sensibilità di questi mutanti alle temperature di raffreddamento e congelamento (Miura e Ohta, 2010).